基于PNS方程的高超声速热化学非平衡喷管流动数值模拟

针对高超声速飞行器在高速飞行时,高温效应对气动热、气动力等均将产生不可忽视的影响的现象,通过双温度模型的构建和单次扫描空间推进数值方法的运用,求解热化学非平衡的抛物化Navier-Stokes方程,对高焓喷管中的三维非平衡流场进行数值仿真,并分析了高温效应对高超声速流动的影响。计算结果给出了喷管轴线上的马赫数、平动温度和振动温度以及流动静压的曲线分布和部分参数的云图分布,并与相应的文献和试验数据进行了对比。结果表明:数值仿真计算结果与参考数据较为吻合,通过双温度模型的添加,目前的程序可以对高超声速热化学非平衡喷管流动进行较为准确的数值仿真。     

基于化学反应的高超声速弹丸头部气动热预测

为了准确预测高超声速弹丸表面的气动热问题,在考虑热化学反应的情况下,基于SST k-ω、表面反应和二维非稳态热传导方程,建立了高速流场与弹丸结构紧密耦合的传热模型,并以某外形高超声速弹丸为研究对象,采用数值模拟方法,在不同飞行高度、不同飞行马赫数等条件下对比计算了有、无考虑化学反应时弹丸表面的气动热分布情况。计算结果表明,考虑化学反应对弹丸表面的热流密度有较大影响,弹体表面温度及其驻点处温度均有明显提高; 在飞行马赫数为5.5,飞行时间为1.5 s的情况下,随着飞行高度的增加,弹丸驻点处及弹身表面的温度会降低,但各高度上弹丸驻点处的温度在考虑化学反应较未考虑化学反应时高约200 K; 随着来流马赫数的增加,化学反应产生的热量越多,弹体表面及驻点处的温度增加越大。研究结果对高超声速弹丸的气动热预测与热防护具有一定的参考。     

钝体头部热化学非平衡效应的CFD与DSMC仿真分析

大气层中的高速飞行往往伴随着强烈的热化学非平衡效应,并对飞行器头部产生强烈的气动加热效应。使用可描述内能松弛和化学反应过程的CFD和DSMC方法分别对圆柱体开展不同来流速度的数值仿真,对比分析热化学非平衡效应对流场参数和气动热的影响。结果表明：在稀薄来流条件下,来流速度越大,分子内能的激发与离解过程会对气动热的准确预测影响越显著;在充分考虑热化学非平衡过程时,热流系数随来流速度的增大呈现先增后减再增的变化规律。     

RBCC高超声速飞行器粘性效应分析研究

针对高超声速飞行器飞行过程中粘性对气动特性的干扰效应,探讨了高超声速粘性效应的相关理论,应用CFD数值模拟方法对RBCC高超声速飞行器巡航阶段的粘性效应进行了研究,在此基础上考察了粘性对高超声速飞行器轴向力系数和升阻比的影响.计算获得了飞行器巡航阶段下的气动特性曲线.将其应用于高超声速飞行器概念设计中,数值模拟结果作为高超声速飞行器结构和气动分析的初步准备工作是必须及合理的.     

高超声速飞行器翼面气动加热、辐射换热与瞬态热传导的耦合分析

为准确预测高超声速飞行器翼面的热环境以利于飞行器的设计。通过数值算例验证了基于参考焓法的气动加热工程算法的可行性;提出了一种高超声速飞行器三维翼面的气动加热、辐射换热、瞬态热传导的准定常耦合求解方法,通过与非耦合的气动加热、辐射换热及瞬态热传导方法相比,指出考虑耦合求解的必要性。在飞行器典型弹道飞行条件下,该耦合求解方法考虑气动加热、辐射换热、结构热传导耦合效应,实现了高超声速三维翼面温度的准确预测,该方法可用于高超声速飞行器气动热分析及热防护设计。     

边界层转捩在高超声速飞行器外形设计中的应用

介绍了吸气式高超声速飞行器边界层转捩的特点及在设计环境方面的影响. 讨论了美国高超声速计划飞行器的外形选择从轴对称演化到尖劈状外形的过程. 分析了钝头体前缘钝化程度、壁面温度、逆压梯度对转捩的影响. 研究了来流马赫数、雷诺数、攻角对飞行器驻点气动热的影响. 使用基于线性稳定模型的emalik程序计算了转捩现象.     

高超声速炮弹气动数值模拟

针对高超声速弹丸飞行阶段的计算研究中,除了对其进行气动热模拟之外,另一项重要任务就是气动力的计算问题,采用SST k-ω湍流模型,运用AUSM+格式对非定常三维可压缩流体进行了数值模拟,再现了高超声速条件下炮弹周围复杂的流动现象,得到了流场的分布规律.计算结果表明,在研究范围内,高超声速弹翼组合体数值计算结果与工程计算结果吻合较好,为进一步高超声速炮弹研究提供了技术参考.     

高超声速复合材料翼面的结构动力学特性研究

高超声速飞行器飞行时会引起气动加热,对其进行结构动力学分析时需考虑气动热的影响.文中建立了热环境下的结构动力学分析流程.首先,基于求解三维可压缩N-S方程的CFD方法进行气动热分析;然后利用有限单元法(FEM)求解结构热传导,并得出温度场分布;最后,基于准线性结构模型进行热环境下的结构动力学分析.基于该流程,对比分析了高超声速飞行器复合材料翼面的结构动力学特性.结果表明,气动加热改变了翼面的固有振动特性.     

HIFiRE-1飞行器激波与边界层干扰气动热研究

高超声速飞行器存在典型的激波与边界层干扰,由此产生的流动分离与再附会带来严重的气动加热问题。采用雷诺平均方法对HIFiRE-1飞行器激波与边界层干扰气动热进行了数值模拟。讨论雷诺数、马赫数等来流参数和飞行器裙体张角、裙体长度等结构参数对气动热的影响,并分析其影响机理。研究结果表明：柱裙拐角处由于存在边界层分离、再附及强烈的激波干涉,导致飞行器壁面存在严重的气动热问题,控制边界层分离和流场结构能有效控制飞行器壁面热环境。改变来流参数和结构参数会对边界层分离、再附和流场结构带来较大影响,具体表现为：来流雷诺数变化时流场结构变化较小,但会大幅度影响再附热流密度;来流马赫数变化时分离激波与飞行器壁面夹角发生变化,相应的气动热有较大变化;裙体张角变化时引起分离区尺度变化,进而改变壁面热流分布;裙体长度变化时影响边界层分离、再附特性,导致壁面热流分布发生变化。     

边界层转捩飞行测量方法及实现

针对高超声速边界层转捩飞行试验研究的需要,通过一体化的变厚度薄壁测温和热流辨识方法,利用测量薄壁内壁温度辨识表面热流可实现飞行器表面转捩位置的测量。考虑到飞行器高速飞行过程中表面气动加热和振动环境要求,对测量结构和机体结构开展了一体化模块设计,提高了测量结构的整体承载抗热振能力;利用热振联合地面试验系统,在飞行状态地面模拟条件下,对测热部件进行了热振联合试验考核,验证了测量结构的安全性和可靠性。地面热振联合试验和飞行试验结果表明,该型转捩测量结构可承受飞行条件气动加热和振动环境,能迅速地响应和准确地反映气动加热环境热流的变化,可准确捕捉飞行条件下高超声速边界层转捩现象。获取的热流转捩测量数据,可为高超声速转捩预测计算模型提供校准数据。     

飞行器热解炭化材料烧蚀产物对等离子体流场的影响规律

高速飞行器表面防热材料在气动加热产生的高温下会热解烧蚀,烧蚀产物进入空气边界层流场后,与流场中的高温空气发生复杂化学反应,对飞行器周围空气流场中组分浓度和等离子体分布产生影响.基于求解热化学非平衡Navier-Stokes方程,建立耦合烧蚀壁面的三维等离子体流场计算方法.理论预测电磁衰减测量项目第2次飞行试验(RAMC...     

内埋式航炮膛口流场特性数值模拟研究

为研究飞行速度对内埋式航炮膛口流场特性的影响,基于Navier-Stokes方程和k-ε湍流模型,采用Roe格式分别对4种飞行速度条件下的菱形机翼中内埋航炮膛口流场发展过程进行了数值模拟,对比分析了静止条件和超音速飞行状态下膛口流场的基本特征以及冲击波强度变化关系。结果表明：超音速飞行时形成由火药燃气冲击波、分离激波、滑移面等波系构成的膛口流场结构;在一定飞行速度范围内分离激波尺寸与来流马赫数正相关;膛口附近冲击波超压峰值变化与飞行马赫数有关。     

冲压增程制导炮弹气动特性研究

为研究冲压增程制导炮弹在不同弹道阶段的气动特性,依据其工作原理与飞行特点,设计冲压助推、爬升飞行、滑翔控制状态所对应的3种气动外形。运用拼接网格技术与雷诺转捩模型,对冲压增程制导炮弹的三维流场与气动特性进行模拟和数值计算。结果表明：3种气动外形与相同外形参数（除舵翼与头部母线外）但不采用冲压结构形式的鸭式布局制导炮弹（参考弹）相比,升阻力系数规律一致;冲压助推、滑翔控制、爬升飞行外形在相同条件下对应的阻力系数依次递减,分别较参考弹阻力系数增大约50.5%、42.9%、33%;滑翔控制外形因鸭舵展开,相同条件下升力系数较其他两种外形大,又因进气道限制了鸭舵面积,相同条件下升力系数较参考弹小（约小11.9%）;弹体摆动减小了冲压发动机进气道的流量系数和总压恢复系数,对其总体性能产生了不利影响。     

碳纤维增强类复合材料烧蚀产物对等离子体流场特性影响的实验研究

高速飞行器表面的防热材料在气动加热产生的高温下会分解烧蚀并产生等离子体。为分析不同烧蚀条件下碳纤维增强类复合防热材料的烧蚀产物对下游流场特性的影响,利用高频等离子体风洞,采用高频感应加热方式对碳/碳和碳/碳化锆两种复合防热材料进行烧蚀并产生高速等离子体射流,在下游通过朗缪尔探针和平头柱塞量热计获得不同烧蚀状态下的流场电子数密度和驻点热流。研究结果表明：随着两种材料烧蚀率的增加,下游流场中的电子数密度和驻点热流逐渐降低,表明“黑障”风险和气动加热现象得到缓解;碳/碳化锆材料在降低下游流场的电离度和焓值方面优于碳/碳材料;随着材料前方来流焓值的增大,两种材料烧蚀造成的下游流场电离度和焓值的差异会在一定程度上缩小。     

非零攻角和侧滑角条件下弹托不同步飞离的数值模拟

对弹药在不同条件下的发射过程进行研究是研制弹药的重要一环,它有助于弹药适应现代战场复杂多变的发射环境。为了提高尾翼稳定脱壳穿甲弹(APFSDS)的射击精度和飞行稳定性,通过非结构化动网格技术和用户自定义函数耦合计算流体力学和六自由度外弹道程序,对非零攻角和侧滑角条件下APFSDS弹托相对弹体动态分离过程进行了数值模拟,获得了非零攻角和侧滑角条件下弹托分离流场、六自由度运动参数以及弹体气动参数的变化情况。结果表明：在非对称来流的影响下,弹托分离流场呈现非对称性,引起弹托受力不均匀,从而导致弹托非对称、不同步地飞离弹体,加大弹体受到的扰动,最终降低弹丸的射击精度和飞行稳定性。     

入口气流参数对固体燃料超燃冲压发动机燃烧室性能的影响分析

为了研究固体燃料超燃冲压发动机燃烧室入口气流参数对发动机性能的影响,将固体燃料燃面退移速率模型耦合到准一维流动方程中,提出了一种燃烧室的准一维设计和性能分析方法。利用该方法,在飞行条件一定的前提下,改变燃烧室入口气流参数总压、总温、马赫数,得出了各工况下的燃烧室初始型面尺寸并分析了其性能。研究结果表明：在设计飞行条件下,提高燃烧室入口气流的总压和总温均能提高燃烧室的性能,但总温对燃烧室性能的影响更大;燃烧室入口较低的马赫数可以减小燃烧室的加热损失,提高燃烧室的性能;在入口气流质量流量和台阶面积比一定的条件下,提高总温和总压、减小马赫数,能提高燃面推移速率,减小燃烧室的长度。     

多喷管运载火箭底部热环境研究

为深入研究多喷管运载火箭底部热环境特性,以芯级带四助推器火箭构型为模型,动力系统采用液氧煤油发动机系统,芯级底部安装2台,每个助推器安装1台.应用隐式密度基求解器求解耦合了SST-kω湍流模型的Navier-Stokes(N-S)方程,得到火箭上升过程中不同飞行工况下的全流场信息以及箭体底部对流热流.结果表明:箭体的外...     

弹用固冲发动机可调喷管气膜冷却数值研究

针对弹用固冲发动机鱼鳞片式可调收扩喷管进行气膜冷却研究,采用数值模拟的方法,研究了冷却气进口气流参数及冷却气进口环槽高度对冷却效果的影响。研究表明:冷却气流的总压须大于等于喷管主流总压;进口槽缝高度降低,冷却气流与主流掺混区贴近壁面,壁面气流温度较高;冷却气流和主流掺混区域与壁面不贴合时,随着飞行马赫数的增大,壁面气流温度反而略高。计算获得了能够保证喷管壁面温度低于800K、冷却气流量占主流流量7%的冷却方案,为固冲发动机可调喷管的设计打下基础。